网络原理 第6章：网络层

第6章 网络层

本章学习要求

理解： 掌握： 掌握： 掌握： 掌握： 掌握： 掌握： 掌握： 掌握：

网络层与网络互联的基本概念。 IPv4协议的基本内容。 IP地址、路由算法与路由协议的基本概念。 路由器与第三层交换的基本概念。 ICMP与IGMP协议的基本概念。 MPLS协议与虚拟专网VPN的基本概念。 地址解析ARP的基本概念与方法。 移动IP的基本概念。 IPv6协议的基本内容。2

《计算机网络》第6章 网络层

6.1 网络层与IP协议 6.1.1 网络层基本概念

网络层通过路由选择算法，为IP分组从源主 机到目的主机选择一条合适的传输路径，为 传输层端—端数据传输提供服务。

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IPv4

6.1.2 IP协议的发展与演变 标准分类 划分子网:IP地址IP地址 特殊地址 保留地址 3级结构预测4年B类地址用完 2015年全部地址用完 1981年,RFC1812

第1阶段:1980年

第2阶段:1991年

第3阶段:1993年

:1996年 第4阶段

: 构成超网 CIDR路由表危机

地址转换: NATISP接入的需要

IP分组1981年,RFC791

分组头 分组 交付 路由算法 路由器 设计自治系统 ASInternet 路由选择 协议

内部网关协议 RIP/OSPF 外部网关协议 BGP

第3层 交换

IPv6

1981年,RFC792

ICMP1989年,RFC1112

IP控制报文协议IGMP QoS

1993年开始1997年,RFC2236

IP多播协议

IGMPv2

1999年标准

1993年,RFC2205 资源预留协议 RSVP 1999年,RFC2475

服务质量

区分服务 Diffserv多协议标记交换 MPLS

2000年,MPLS 论坛

1998年,RFC2401/2411

IPSec

5 IP安全

6.2 IPv4协议的基本内容6.2.1 IP协议的主要特点 1、IP协议是一种无连接、不可靠的分组传送服务的协议 IP协议提供的是一种 “尽力而为(best-effort)”的 服务。 2、IP协议是点-点的网络层通信协议 IP协议是针对源主机—路由器、路由器—路由器、路 由器—目的主机之间的数据传输的点—点的网络层通 信协议。

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3、IP协议屏蔽了互联的网络在数据链路层、物理 层协议与实现技术上的差异TCP/UDP 传输层

IP分组 网络层

IP

Ethernet帧

Frame Relay帧

PPP帧

数据 链路层

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1、IPv4分组结构 IPv4分组：分组头和数据。分组头长度可变，每行宽度为4B, 6.2.2 IPv4分组格式 前五行为分组头必需有的域，长度为20B;第6行为选项域,最长 为40B。所以，IP分组头长度为20B~60B.0 版本 固 定 长 度 部 分 4 8 16 服务类型 标志 协议 19 24 总长度 片偏移 头部校验和 分 组 头 31

报头 长度标识

生存时间

源IP地址目的IP地址

可选 部分

选项 数据部分

填充域 数据 部分 8

2、IPv4分组头格式 (1)版本字段 版本字段长度为4位。 版本字段值为4,表示IPv4;版本字段值为6

,表示IPv6。 (2)协议字段 协议字段长度为8位。 表示使用IP协议的高层协议类型。协议字段值 高层协议类型 1 ICMP 2 IGMP 6 TCP 8 EGP 17 UDP 41 IPv6 89 OSPF 表6-1 协议字段值所表示的高层协议类型《计算机网络》第6章 网络层

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(3)长度IP分组头有两个长度字段：分组头长度(报头长度)、总长度。 分组头长度字段 分组头长度字段的长度为4位，它定义了以4字节为一个单位的分 组头的长度。 分组头中除了IP选项字段与填充字段之外，其他各项是定长的。 分组头长度字段最小值为5(4×5=20B),最大长度为15 (4×15=60B) 。 总长度字段 总长度字段长度为16位，定义以字节为单位的分组总长度，是分 组头长度与数据长度之和。 总长度字段长度为16位，它能表示的IP分组最大长度为65535( 216-1)字节，其中包括分组头长度。 IP分组中高层协议的数据长度等于分组的总长度减去分组头长度 。 10《计算机网络》第6章 网络层

(4)服务类型字段

服务类型(service type)字段的长度为8位，用于指 示路由器如何处理该分组。 服务类型由1位的保留位， 4位的服务类型(TOS)字段 与3位的优先级(precedence)字段构成。服务类型： Precedence D T R C 0 D:1,low delay 0, normal T:1,high throughput 开销 0, normal 可靠性 吞吐量 R:1,high 可靠性 C:1,low cost 优先级 延迟 0, normal 0, normal 4位中，最多只能有一位值为1,其他3位则为0,默认值0000 优先级 分8级，数值越大等级越高，数据报越重要。 12

b7 b6 b5

b4 b3 b2 b1 b0

(5)生存时间(TTL)字段

生存时间TTL用来设定分组在Internet中的“寿命”, 它通常是用转发分组最多的路由器跳数(hop)来度 量。 生存时间TTL的初始值由源主机设臵，经过一个路由 器转发之后，TTL值减1。 当TTL的值为0时，丢弃分组并发送ICMP报文通知源 主机。13

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(6)头校验和字段 头校验和字段长度为8位。 设臵头校验和是为了保证分组头部数据完整性。 IP分组只对分组头进行校验，不包括分组数据。 IP分组头之外的部分属于高层数据，高层数据都 会有相应的校验字段，IP分组不对高层数据进行 校验。 每经过一个路由器，IP分组头都要改变一次，数 据部分并不改变。设臵头校验和只对变化部分进 行校验是合理的，可以减少路由器对每个接收分 组的处理时间，提高路由器的运行效率。14

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(7)地址字段 分组头中最简单的部分是地址字段。 地址字段包括源地址与目的地址。 0 4 8 16 19 24 31 源地址与目的地址字段长度都是32位，分别表示发

送 报头 版本 服务类型 总长度 分组的源主机与接收分组的目的主机的IP地址。 长度 标识 标志 片偏移 固在分组的整个传输过程中，无论采用什么样的传输路 定 长径或如何分片，源地址与目的地址始终保持不变。 生存时间 协议 头部校验和 分度 部 分 源IP地址目的IP地址 可选 部分 选项 数据部分《计算机网络》第6章 网络层

组 头

填充域 数据 部分 15

3、IP分组的分片与组装 (1) 最大传输单元(MTU)与IP数据报分片 IP数据报作为网络层数据必然要通过帧来传输； 一个数据报可能要通过多个不同的物理网络； 每一个路由器都要将接收到的帧进行拆包和处理， 然后封装成另外一个帧；帧的格式与长度取决于物 理网络所采用的协议。 每一种物理网络都规定了各自帧的数据域最大字节 长度即最大传输单元MTU;

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